杜艷艷 馮 磊 余為維

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南省鄭州市，451464；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南省焦作市，454000；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來，槽波地震勘探技術(shù)發(fā)展日趨完善，在煤礦生產(chǎn)開采領(lǐng)域發(fā)揮的作用日益顯著，在斷層、陷落柱等小構(gòu)造探測(cè)方面的研究與應(yīng)用愈加廣泛，其中，姬廣忠等對(duì)三維槽波數(shù)值模擬進(jìn)行了初步探索；馮磊等對(duì)槽波波場(chǎng)分離進(jìn)行了相關(guān)研究并取得較為良好的分離效果。同時(shí)，眾多學(xué)者對(duì)槽波在煤厚及隱伏構(gòu)造探測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，使得槽波地震勘探的研究達(dá)到了新的高度。礦井透射法槽波地震勘探通過拾取特定頻率下槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行層析反演得到槽波速度，進(jìn)而推測(cè)煤層厚度分布。根據(jù)以往研究結(jié)果表明，拾取槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的合理性極大地影響了層析成像的結(jié)果，為此通過對(duì)透射法槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢測(cè)、判斷，從而達(dá)到提高槽波層析反演結(jié)果精度的目的。

1 透射槽波探測(cè)煤厚基本原理

透射法槽波地震勘探是將震源和檢波器分別布置在兩個(gè)不同巷道內(nèi)，在其中一條巷道內(nèi)沿直線布置間隔為5～20 m的炮孔作為激發(fā)點(diǎn)，在另一條巷道中沿直線布置間隔為10～30 m的鉆孔作為接收點(diǎn)，由此，在一條巷道中激發(fā)的地震波經(jīng)煤層和頂?shù)装逋干涞搅硪粭l巷道中產(chǎn)生槽波并接收。

當(dāng)煤層橫波速度為900 m/s、圍巖橫波速度為2600 m/s時(shí)，煤層厚度分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m的槽波群速度頻散曲線如圖1所示。

圖1 不同煤厚頻散曲線

分析單條頻散曲線可知槽波群速度隨頻率的增大先減小至一個(gè)極小值(即埃里相速度)，再緩慢增大，最后趨近于煤層橫波速度。整體分析可知，在特定群速度下，不同厚度的煤層其槽波群速度隨煤厚的減小而增大，呈明顯的負(fù)相關(guān)，因此可以通過特定頻率下的群速度來有效識(shí)別煤層厚度。此外，分析頻率高低時(shí)可以看到，當(dāng)選擇的特定頻率為頻低時(shí)(如100 Hz)，識(shí)別厚煤層較為有效；當(dāng)選擇的特定頻率為高頻時(shí)(如300 Hz)，識(shí)別薄煤層較為有效。

2 透射槽波旅行時(shí)的拾取

依據(jù)勒夫型槽波的頻散特征進(jìn)行槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)拾取，通過ISSTTA軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散處理及分析。為保證槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的拾取精度，除了常規(guī)的去噪、濾波等處理步驟外，關(guān)鍵步驟是需要進(jìn)行波場(chǎng)分離。通過橢圓率與方位角濾波獲得勒夫型槽波數(shù)據(jù)，再進(jìn)行頻散處理，可以極大提高分析精度。以德國(guó)DMT公司SUMMIT槽波地震儀采集到的水平雙分量地震數(shù)據(jù)為例，利用ISSTTA軟件進(jìn)行波場(chǎng)分離處理，得到5種不同類型地震波頻散曲線，分別為原始數(shù)據(jù)X分離、原始數(shù)據(jù)Y分離、平行波傳播分量、垂直波傳播分量以及勒夫型槽波數(shù)據(jù)。

結(jié)合理論頻散曲線所確定的主頻，對(duì)分離后的時(shí)間域或時(shí)頻域頻散曲線拾取槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)，如圖2所示。篩選出質(zhì)量最好的頻散曲線來進(jìn)行槽波旅行時(shí)拾取，拾取過程中根據(jù)頻散曲線質(zhì)量的優(yōu)劣可以相應(yīng)評(píng)估槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。當(dāng)頻散曲線質(zhì)量較差而無(wú)法有效拾取槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過單道估算速度、炮集估算速度或圍巖橫波速度來修正頻散曲線，以達(dá)到便于槽波旅行時(shí)拾取的最佳效果。若修正后效果仍不理想，可以舍棄該道槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的拾取，以避免數(shù)據(jù)差異對(duì)整體數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響。

圖2 槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)拾取

拾取處理完成后，可以通過檢測(cè)板及相應(yīng)的射線路徑、槽波旅行時(shí)曲線等直觀地查看拾取槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的整體分布，如圖3所示，以便于從宏觀上對(duì)數(shù)據(jù)拾取質(zhì)量進(jìn)行把控。

圖3 槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)分布情況

3 槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)合理性檢測(cè)

在透射法槽波層析反演中，槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)作為層析反演的輸入數(shù)據(jù)，決定著反演結(jié)果的精度。拾取槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的微小誤差都會(huì)對(duì)反演結(jié)果造成較大的影響。因此，槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)合理性的檢測(cè)是透射槽波煤厚探測(cè)中所不可或缺的關(guān)鍵步驟。通過ISSTTA軟件中槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，可以直觀有效地對(duì)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行檢測(cè)，以提高層析反演結(jié)果的準(zhǔn)確度。具體分為以下兩個(gè)方面。

(1)采用綜合手段對(duì)拾取的槽波旅行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢測(cè)和校正。為了解決槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的合理性問題，ISSTTA軟件依據(jù)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的顏色分布和曲線形態(tài)提供了多種檢測(cè)方式，包括道集排列、槽波旅行時(shí)曲線、網(wǎng)格顏色、射線顏色、頻散質(zhì)量評(píng)價(jià)以及射線路徑等，如圖4所示。

圖4 槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)方法

例如，基于槽波旅行時(shí)曲線的檢測(cè)方法是將拾取的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)大小以折線圖的方式表示，每條折線段和折線端點(diǎn)處的顏色對(duì)應(yīng)于槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)大小，在此基礎(chǔ)上可以快速準(zhǔn)確地對(duì)單個(gè)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，如圖5所示。

圖5 槽波旅行時(shí)曲線檢測(cè)方法

(2)對(duì)拾取完的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體校正。在槽波地震數(shù)據(jù)采集中，由于炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的間距都很小，因此相鄰位置的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)該變化不大，理論上檢測(cè)板中所拾取的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)整體應(yīng)表現(xiàn)為自然過渡的漸變特征，可據(jù)此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的整體校正。

4 應(yīng)用實(shí)例

以義馬煤業(yè)新安煤礦11061工作面為例，初始拾取的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)在檢測(cè)板上顯示的整體分布情況及其對(duì)應(yīng)反演結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到，盡管檢測(cè)板上中間部分顯示所拾取的槽波旅行時(shí)較為完整，但右上角與左下角的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)缺失較為嚴(yán)重，且整體數(shù)據(jù)分布并沒有呈現(xiàn)出自然過渡的特征。從對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果來看，中低速區(qū)都集中在右側(cè)，速度最低為800 m/s，高速區(qū)較為突出，速度最高為2800 m/s，且沒有出現(xiàn)速度空白區(qū)，表明所拾取的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)存在偏差。

首先采用綜合方法對(duì)初始拾取的槽波旅行時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和校正，對(duì)前7個(gè)震源的16～21道(即檢測(cè)板右上角)以及第30～35個(gè)震源的1～4道(即檢測(cè)板左下角)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充完善。隨后對(duì)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體校正，由于第24～28個(gè)震源的17～19道的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，對(duì)其進(jìn)行了部分刪減，從而使得校正后的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)整體呈自然過渡的漸變特征。通過以上兩個(gè)方面對(duì)義馬煤業(yè)新安煤礦11061工作面的槽波旅行時(shí)進(jìn)行處理后，其數(shù)據(jù)特征及其反演結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，利用校正后數(shù)據(jù)所得出的反演結(jié)果相比原反演結(jié)果存在顯著差異，其中低速區(qū)集中在右側(cè)，速度最低為900 m/s，高速區(qū)基本集中在中部，速度最高為2500 m/s，且左上角為速度空白區(qū)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，該反演結(jié)果與校正前的原反演結(jié)果相比更為精確可信。

圖6 初始拾取的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果

圖7 修正后的槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果

5 結(jié)論

(1)在特定頻率下，煤層厚度與相應(yīng)的槽波群速度呈負(fù)相關(guān)，據(jù)此原理通過特定頻率下的層析反演結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)煤厚的有效判識(shí)。

(2)槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)拾取中的微小誤差均會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果的不穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)煤厚預(yù)測(cè)產(chǎn)生不良影響，因此檢測(cè)分析槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的合理性直接影響層析反演的精度，這也是預(yù)測(cè)煤層厚度的關(guān)鍵。

(3)基于道集排列、槽波旅行時(shí)曲線等綜合方法對(duì)拾取槽波旅行時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)初步檢測(cè)與校正以及槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量校正可以有效地減小槽波旅行時(shí)數(shù)據(jù)的拾取誤差，增強(qiáng)反演結(jié)果穩(wěn)定性，從而提高煤厚預(yù)測(cè)精度。